CN107910647A - 一种含石墨烯的移相单元及其构成的相控天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种含有石墨烯的移相单元及其构成的相控天线，设置有基板、石墨烯片、金属贴片；所述石墨烯片设置于所述基板的上表面；所述金属片，设置于所述基板的上表面，与所述石墨烯片相互拼接，通过调整所述石墨烯片的化学势，从而改变所述金属贴片内部的电磁场分布，进而调整所述含石墨烯的移相单元的相位分布。本发明公开的一种含有石墨烯的移相单元及其构成的相控天线，相位连续可调，可工作在整个太赫兹波段。

Description

一种含石墨烯的移相单元及其构成的相控天线
技术领域
本发明涉及太赫兹电子学雷达天线领域，特别是涉及一种含石墨烯的移相单元及其构成的相控天线。
背景技术
相比于微波通信，太赫兹通信具有如下优点：传输速率快、容量大,具有较宽的瞬时带宽；波束更窄,方向性更好；波长更短,太赫兹器件、天线和系统可以做得更小更紧凑。虽然太赫兹通信具有显著的优势,但截至目前,关于太赫兹空间通信的研究成果还较少,最主要的原因是传统的电子学、光学的技术和器件都不能完全满足太赫兹波以及太赫兹通信系统器件(例如天线)的需求。石墨烯的工作频率覆盖了太赫兹频段,并且其制备和图案化的方法已经得到了深入的研究,如化学气相淀积法、飞秒激光切割法,因此石墨烯成为实现太赫兹电控阵列天线应用的重要材料。
反射阵列天线研究的核心在于如何设计每个移相单元的结构和尺寸，使之对入射波实现特定的相位补偿，从而形成特定的波束。传统微带反射阵列天线主要通过改变微带贴片尺寸、在贴片上加载不同的相位延迟线或旋转不同角度来获得相位补偿等，但这样的话，微带阵列结构一旦确定便不能改变，天线的波束指向也就确定了，无法实现可变相控。若通过电控方式实现，可以使用传统移相器，如变容二极管移相器，铁氧体移相器，PIN二极管移相器，MEMS移相器等。但是变容二极管移相器的高频性能差，铁氧体移相器所需激励功率大、开关时间长，PIN二极管移相器体积大，MEMS移相器的加工难度大，等多种不利因素，而难以适用于高频段。与传统机械扫描式天线相比，相控阵天线具有更加迅速精确的波束扫描能力，可以实现更远的目标搜索以及更加稳定可靠的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种含有石墨烯的移相单元及其构成的相控天线，相位连续可调，可工作在整个太赫兹波段。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种含石墨烯的移相单元，包括：
基板；
石墨烯片，设置于所述基板的上表面；
金属贴片，设置于所述基板的上表面，与所述石墨烯片相互拼接；
所述石墨烯片包括，第一石墨烯片组、第二石墨烯片组；
所述第一石墨烯片组包含4个石墨烯片，所述石墨烯片的一端分别与所述金属贴片的一个边的中间相连；
所述第二石墨烯片组包含4个石墨烯片，所述石墨烯片的一端分别与所述金属贴片的四个角相连。
可选的，所述基板包括：接地层、介质层、硅基层；
所述硅基层位于所述接地层的上表面，所述介质层位于所述硅基层的上表面。
可选的，所述金属贴片为正方形，边长为50um。
可选的，所述接地层的材料为金属，厚度为5um，长度为100um，宽度为100um。
可选的，所述硅基层的厚度为20um，长度为100um，宽度为100um。
可选的，所述介质层的材料为聚酰亚胺，厚度为20um，长度为100um，宽度为100um。
本发明还提供一种相控天线，所述相控天线包括上述所述的含石墨烯的移相单元。
可选的，所述含石墨烯的移相单元为多个，所述多个含石墨烯的移相单元相互拼接构成天线阵列；所述天线阵列为m×m阵列，m≥2，通过在每个所述石墨烯移相单元上施加不同的电压，获得不同的相位分布，进而改变相控天线的波束指向。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明涉及一种含石墨烯的移相单元及其构成的相控天线，所述移相单元包括基板、石墨烯片、金属贴片。通过调节所述石墨烯片的化学势，从而改变所述金属贴片内部的电磁场分布，进而改变所述移相单元的相位分布，获得相应的波束指向，相位实时可调，可工作在整个太赫兹波段。改变了传统的反阵列天线中主要通过改变微带贴片的尺寸，在微带贴片上施加不同的相位延迟线或旋转不同的角度来获得相位补偿，带来的微带结构阵列一旦确定便不能改变，无法实现相控的缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例含石墨烯的移相单元结构示意图；
图2为本发明实施例石墨烯分布结构示意图；
图3为本发明实施例含石墨烯的移相单元构成的相控天线阵列结构图；
图4为本发明实施例含石墨烯的移相单元构成的相控天线阵列局部放大结构图；
图5为本发明实施例工作频率为1THz时含石墨烯的移相单元随化学势μc变化的移相曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种含有石墨烯的移相单元及其构成的相控天线，相位连续可调，可工作在整个太赫兹波段。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例含石墨烯的移相单元结构示意图，图2为本发明实施例石墨烯分布结构示意图，如图1和图2所示，一种含石墨烯的移相单元，包括：基板、石墨烯片、金属贴片4；所述基板包括接地层1、硅基层2、介质层3，所述硅基层2位于所述接地层1的上表面，所述介质层3位于所述硅基层2的上表面。
具体的，所述接地层的材料为金属，厚度为5um，长度为100um，宽度为100um；所述硅基层的厚度为20um，长度为100um，宽度为100um，介电常数为11.9，损耗正切角为0.0025；所述介质层的材料为聚酰亚胺，厚度为20um，长度为100um，宽度为100um，介电常数为3.5，损耗正切角为0.0027。
所述石墨烯片设置于所述基板的上表面；所述硅基层与所述石墨烯层之间加设有偏置电压，用于调节所述石墨烯片表面的电导率，从而改变石墨烯的电抗，进而改变辐射到石墨烯片上的反射波的相位。
所述金属贴片4设置于所述基板的上表面，与所述石墨烯片相互拼接，通过改变施加在所述石墨烯片上的偏置电压，进而改变所述金属贴片内部的电磁场的分布，进而控制移相单元的辐射信号的方向。
具体的，所述金属贴片为正方形，边长为50um。
所述石墨烯片包括，第一石墨烯片组5、第二石墨烯片组6；
所述第一石墨烯片组5包含4个石墨烯片，分别为，第一石墨烯片5-1、第二石墨烯片5-2、第三石墨烯片5-3、第四石墨烯片5-4，所述第一石墨烯片5-1、第二石墨烯片5-1、第三石墨烯片5-3、第四石墨烯片5-4的一端分别与所述金属贴片4的一个边的中间相连；所述第一石墨烯片5-1、第二石墨烯片5-1、第三石墨烯片5-3、第四石墨烯片5-4的形状均为长方形，且尺寸相同；
具体的，所述第一石墨烯片5-1、第二石墨烯片5-1、第三石墨烯片5-3、第四石墨烯片5-4的长均为25um，宽均为10um。
所述第二石墨烯片组6包含4个石墨烯片，分别为，第五石墨烯片6-1、第六石墨烯片6-2、第七石墨烯片6-3、第八石墨烯片6-4，所述第五石墨烯片6-1、第六石墨烯片6-2、第七石墨烯片6-3、第八石墨烯片6-4形状为一长方形的短边向内凹陷的五边形，且凹陷的角度为直角，所述凹陷角的两个边的边长相等，所述第五石墨烯片6-1、第六石墨烯片6-2、第七石墨烯片6-3、第八石墨烯片6-4的凹陷端分别与所述金属贴片的四个角相连，且凹陷端与所述金属贴片的四个角相匹配。
所述第五石墨烯片6-1、第六石墨烯片6-2、第七石墨烯片6-3、第八石墨烯片6-4的长边边长为均为25um，所述虚拟三角形的底边长为10um，所述虚拟三角形的腰长为
所述第一石墨烯组5与所述第二石墨烯组6构成“米”字型石墨烯结构。
根据石墨烯的表面电导率Kobo公式：
σs＝σinter+σintra
其中，σs为石墨烯的表面电导率，σinter为石墨烯的带内电导率，σintra为石墨烯的带间电导率。i代表虚数，γ是碰撞频率，γ＝1/2τ，τ是接近τ＝0.5ps的电子散射时间，ps是皮秒，时间单位，T为热力学温度，取T＝300K，kB为玻尔兹曼常数，h为普朗克常量， 为约化普朗克常数，e是电子带电量，ω是角频率，μc为加于石墨烯的化学势。通过计算得到石墨烯在不同化学势下的表面电导率结果并导入电磁仿真软件CST中进行计算，仿真移相单元的移相特性。
因为石墨烯的电势不同，所表现的性质不同，而电压和载流子浓度之间公式如下：
其中，t为石墨烯片的厚度，ns为载流子浓度，而载流子浓度和化学势之间关系可表示为：ns＝μc 2/πh2vf 2。μc为加于石墨烯的化学势，h为普朗克常量，vf为费米速率(石墨烯中为108cm/s)，εr为相对介电常数，ε0为真空介电常数。通过这两个关系，得到电压和化学势的关系。
图3为本发明实施例含石墨烯的移相单元构成的相控天线阵列结构图，如图3所示，图3为一个40×40的反阵列天线，由所述含石墨烯的移相单元构成。通过理论分析得到移相单元中石墨烯所施加的电压与反射相位的关系后，可以通过在不同移相单元上施加特定的电压来获得所需要的相位补偿，使波束在需要的方向上聚焦，同时可以实现波束的扫描。
图4为本发明实施例含石墨烯的移相单元构成的相控天线阵列局部放大结构图。
图5为本发明实施例工作频率为1THz时含石墨烯的移相单元随化学势μc变化的移相曲线，如图5所示，工作频率为1Thz，化学势μc范围由0.12eV到4e变化时，反射波的移相可以达到400度，这说明移相单元具有很好的移相特性。调节移相单元的尺寸，可以调节其工作频率，所以，根据石墨烯电导率随化学势变化明显的太赫兹频段，本发明中的含石墨烯的移相单元都可以工作。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种含石墨烯的移相单元，其特征在于，包括：
基板；
石墨烯片，设置于所述基板的上表面；
金属贴片，设置于所述基板的上表面，与所述石墨烯片相互拼接；
所述石墨烯片包括，第一石墨烯片组、第二石墨烯片组；
所述第一石墨烯片组包含4个石墨烯片，所述石墨烯片的一端分别与所述金属贴片的一个边的中间相连；
所述第二石墨烯片组包含4个石墨烯片，所述石墨烯片的一端分别与所述金属贴片的四个角相连。
2.根据权利要求1所述的一种含石墨烯的移相单元，其特征在于，所述基板包括：接地层、介质层、硅基层；
所述硅基层位于所述接地层的上表面，所述介质层位于所述硅基层的上表面。
3.根据权利要求1所述的一种含石墨烯的移相单元，其特征在于，所述金属贴片为正方形，边长为50um。
4.根据权利要求1所述的一种含石墨烯的移相单元，其特征在于，所述接地层的材料为金属，厚度为5um，长度为100um，宽度为100um。
5.根据权利要求1所述的一种含石墨烯的移相单元，其特征在于，所述硅基层的厚度为20um，长度为100um，宽度为100um。
6.根据权利要求1所述的一种含石墨烯的移相单元，其特征在于，所述介质层的材料为聚酰亚胺，厚度为20um，长度为100um，宽度为100um。
7.一种相控天线，其特征在于包括权利要求1至6任意一项所述的含石墨烯的移相单元。
8.根据权利要求7所述的一种相控天线，其特征在于，所述含石墨烯的移相单元为多个，所述多个含石墨烯的移相单元相互拼接构成天线阵列；所述天线阵列为m×m阵列，m≥2。
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